（车辆工程专业论文）低边耐候钢敞车车体轻量化研究.pdf

摘要 摘要 低边耐候钢敞车是为了满足锌锭、铁锭等货物的运输而设计的新型低边敞车。分析 不同工况下车体的强度与刚度情况，并提出轻量化建议，使改进后的车体适合使用，这 直接影响到用户的安全生产和经济效益。 本文利用i - d e a s 软件，根据低边耐候钢敝车车体钢结构的特点，建立了车体钢结 构的力学模型。根据铁道车辆强度设计及试验鉴定规范( t b t 1 3 3 5 1 9 9 6 ) ( 以下 简称规范) 要求，分析了四种载荷工况下的强度和刚度。计算结果表明：高应力区 主要出现在车体的前后从板座车上，但车体钢结构的强度和刚度值均满足规范的要 求。 为了研究车体的动态性能，对整车车体钢结构进行了有限元模态分析，计算了车体 钢结构前十四阶振型和振动频率，车体一阶垂向弯曲频率为3 1 6 h z 。 根据有限元分析结果，利用i - d e a s 的优化模块，对车体进行敏度分析和优化设计， 将优化后的设计变量圆整，得到车体轻量化方案。对优化后车体的强度和刚度进行校核， 结果表明：车体的刚度满足要求；车体钢结构的应力除第二工况的压缩载荷作用下，后 从板座的应力大于许用应力外，其它均满足要求。经过优化设计低边耐候钢敞车车体减 重l3 2 8 k g ，相对减重率达到了1 4 2 。 关键词：敞车；车体；有限元分析；轻量化 大连交通大学t 学硕卜学位论文 a b s t r a c t l o w s i d e dw e a t h e r i n gs t e e lg o n d o l ac a ri san e wt y p eo fg o n d o l ac a l d e s i g n e dt om e e t z i n ci n g o t s ，i r o ni n g o t sa n do t h e rc a r g ot r a n s p o r t t oi m p r o v et h ec a rb o d ys u i t a b l ef o ru s e ， w h i c hd i r e c t l ya f f e c t st h eu s e r sp r o d u c t i o ns a f e t ya n de c o n o m i cb e n e f i t s ，a n a l y s et h es t r e n g t h a n ds t i f f n e s so fc a r b o d y u n d e rd i f f e r e n tl o a dc a s e s ，a n d p r e s e n tt h el i g h t w e i g h t r e c o m m e n d a t i o n a c c o r d i n gt ot h e c h a r a c t e r i s t i co fl o w s i d e dw e a t h e r i n gs t e e l g o n d o l ac a rb o d y ， a n a l y t i c a lm o d e li sm a d eb yi - d e a ss o f t w a r e b a s e do nt h es t r e n g t hr e q u i r e m e n to fr a i l w a y v e h i c l e sd e s i g na n dp r o v i s i o n a lr e g u l a t i o n so ni d e n t i f i c a t i o nt e s t ( t b t 13 3 5 - - 19 9 6 ) ，t h e s t r e n g t ha n ds t i f f n e s so ft h ec a rb o d yi sp a r t i c u l a r l ya n a l y z e du n d e rf o u rd i f f e r e n tl o a dc a s e s t h er e s u l t ss h o w ：l o c a lh i g hs t r e s sp o s i t i o n sa r ei nt h ef r o n ta n dr e a rd r a f tl u g ，b u tt h es t r e n g t h a n dt h es t i f f n e s so fc a rb o d ym e e tt h er e q u i r e m e n t i no r d e rt os t u d yt h ed y n a m i cp r o p e r t i e so fc a rb o d y ，a n a l y s et h em o d a lo fc a rb o d y s t r u c t u r e ，c a l c u l a t ef o u r t e e no r d e rv i b r a t i o nm o d e sa n dn a t u r a lf r e q u e n c i e s t h ef i r s tv e r t i c a l b e n d i n gm o d e o fc a rb o d yi s31 6 h z b a s e do nt h er e s u l t so ff i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，t h es e n s i t i v i t ya n a l y s i sa n do p t i m i z a t i o n d e s i g na r ec a r r i e do u tu s i n gi - d e a so p t i m i z a t i o nm o d u l e ，a n dw eg e tt h el i g h t w e i g h t p r o g r a ma f t e rt h eo p t i m i z a t i o nd e s i g nv a r i a b l e sa r eh a n d l e d 1 1 1 es t r e n g t ha n ds t i f f n e s so ft h e o p t i m i z e dm o d e li sc h e c k e d ，t h er e s u l t ss h o wt h a tt h es t i f f n e s sa n ds t r e n g t hc a nm e e tt h e r e q u i r e m e n te x c e p tt h a tt h es t r e n g t hi nt h er e a rd r a f tl u gi sb e y o n dt h ea l l o w a b l es t r e s su n d e r s e c o n dc o m b i n e dl o a dc a s e ( 1 e n g t h w i s ec o m p r e s s i o n ) ，a n do p t i m i z e dc a rb o d ym e e t st h e r e q u i r e m e n to fv e h i c l ed y n a m i c sp e r f o r m a n c e t h ew e i g h to f c a rb o d yr e d u c e s13 2 8k g ，a n d t h er e l a t i v ew e i g h tl o s sr a t er e a c h e s14 2 a f t e ro p t i m i z a t i o n k e yw o r d s ：g o n d o l ac a r ；c a rb o d y ；f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ；l i g h t w e i g h t 第一章绪论 第一章绪论 1 1 背景及意义 长期以来，铁路运输以其运量大、速度快、安全、节能等优势作为人类最重要的交 通运输方式，对世界各国的经济发展起着十分重要的作用。与公路交通和航空等运输方 式相比，铁路是既节省能源，又对环境污染最少的交通运输工具。因此，世界各国投入 大量资金发展铁路运输，尤其重视发展高速铁路运输。目前，世界上高速铁路的总里程 已近5 0 0 0 公里，但主要是运行旅客列车，而高速货物列车发展则较为缓慢。因此，铁 路要想全面增加运能，对于作为铁道运输主要工具之一的铁道车辆来说，就必须以实现 高速、安全、舒适、耐用、载重大和自重轻等为主要目标，这正是当前摆在车辆设计人 员和科研工作者面前的一项迫切的任务。 为了满足使用要求，近年来我国有关部门新研制了一系列新型车辆，包括铁路客车、 地下铁道电动车组以及各种专用货车、大载重货车等。在设计新型车辆的同时，随着列 车运行速度的提高以及其他运用条件的改变，在保证运行安全和具有必要的使用寿命的 前提下，还必须对现有车辆的强度和运行可靠性进行鉴定，以便确定旧有车辆对新的运 用条件的适应程度，并拟定加强或改造原有结构的必要措施。车辆强度问题正是这些研 制工作中要解决的关键技术问题之一。 由于铁道车辆的车体是杆件系统和某些板与壳结合的一个复杂的杆、板混合整体结 构，计算非常复杂。要用力学方法手工计算车体的强度是很困难的，而且计算精度低。 随着计算技术的发展和计算机的广泛应用，以有限元法为理论笨础的电算法已在我国车 辆部门得到广泛应用。这种方法具有计算速度快、精确高的优点，为车辆结构的优化设 计提供了条件。在本课题研究中，正是以有限元法作为敞车车体钢结构强度分析的主要 工具。 低边耐候钢敞车是为了满足锌锭、铁锭等货物的运输而设计的新型低边敞车，它是 在总结c 6 2 b 、c 6 4 型等通用敞车结构性能的基础上改进而成的载重6 0 t 全钢电焊结构专 用敞车。由于采用吊车装卸，因此，取消了侧门结构。结合其使用条件、运输特点，分 析在不同工况下车体的强度与刚度情况，并提出修改建议，使改进的车型适合使用，这 直接影响到用户的安全生产和经济效益，因此，本论文的选题具有很强的现实意义和工 程实用价值。 大连交通人学t 学硕十学位论文 1 2 国内外敞车的研制现状及趋势 目前世界铁路货车技术发展可分为两大流派，一是以美国、加拿大、澳大利亚、南 非、巴西为代表的重载技术，其主要特征是车辆轴重大、载重量高、自重轻及列车编组 辆数多。二是以法国、德国等欧洲国家为代表的快捷技术，其主要特征是车辆运行速度 高、列车编组数量少。近几年来，欧洲也开始研究试验开行2 5 t 轴重重载货车和2 0 0 k m h 轻快货车。世界铁路货车的发展趋势主要是：不断调整货车车种的构成，以适应待运货 物的种类；加大载重量，改进车辆结构，减少制造和维修费用以提高铁路货运的经济性。 我国常用的敞车有c 6 2 a 、c 6 2 b 和c 6 4 型通用敞车，c 6 1 、c 6 3 、c 6 3 a 型运煤专 用敝车及c 1 6 型、c f 型全钢无门专用敞车。从我国铁路现状分析，敞车是承担货运 总量6 0 以上的车种。敞车总数占我国货车总数6 0 左右。目前，载重6 0 t 级敞车占全 部敞车的6 0 以上。每年都有l 万辆左右新的载重6 0 t 级敞车投入运用。载重6 0 t 级敞 车中为数最多的是c 6 4 型车。c 6 4 型敞车是在c 6 2 b 型敞车的基础上研制而成，是取 代c 6 2 b 型敞车的升级换代产品。由于c 6 4 型敞车在结构设计上做了一些改进，因此 车辆性能比c 6 2 b 型敞车均有所提高。为了适应我国既有铁路线路、桥梁的实际承载能 力，加快铁路装备现代化进程，满足铁路货车由6 0 t 向7 0 t 的升级换代要求，我国于2 0 0 5 年初完成了载重7 0 t 的新型通用敞车的设计小批量试制及各项性能试验工作，6 月通过 了样车的部级审查，定型为c 7 0 并投入生产。 近几年来，我国铁路货车技术水平迅速提升，综合技术水平已经接近或达到了国际 先进水平。以重载货车为代表的综合技术已达到了国际先进水平。如现在大秦线用c 8 0 型铝合金敞车和c 8 0 b 型不锈钢敞车，其轴重2 5 t 、载重8 0 t ；车体采用了铝合金或不锈 钢新材料。 六十年代，一些工业发达的国家就已经在铁道车辆的强度分析中采用有限元法，并 能够较好的模拟、分析零部件的动态特性。随着计算机软、硬件水平的发展，出现了计 算机辅助造型( c a s ) 、计算机辅助设计( c a d ) 、计算机辅助工程分析( c a e ) 、计算机辅助 制造( c a m ) 以及计算机虚拟现实系统( v r ) 等一大批大型工程通用软件，如n a s t r a n 、 a d a m s 、e g 、a n s y s 、i - d e a s 等，使得车辆静、动态分析等成为可能。国外已能够 用有限元法对结构、材料和形状参数等进行灵敏度分析，并取得了大量的成果。国内， 铁道车辆发展的整体环境促使必须对一些传统的设计理念进行革新，以提高设计效率、 设计水平，适应飞速发展的世界铁道车辆工业。近年来，零、部件强度设计的c a d 技 术以及有限元分析( f e a ) 在国内已有长足的发展。机械系统仿真分析( m s s 即m e c h a n i c a l s y s t e ms i m u l a t i o n ) 技术将分散的零部件设计和分析技术，如单一系统零部件的c a d 和 第一章绪论 f e a 技术揉合在一起，以提供一个更全面的了解产品工作性能的方法，从而真正的实现 并行工程的设计要求。9 0 年代，随着计算机技术、图形学技术及计算方法的不断提高， m s s 技术在铁道车辆工业的应用得到了广泛的发展。 总之，应用先进的计算机辅助分析技术提高铁道车辆及零部件产品的设计质量是企 业设计制造的必然趋势，通过这些科学的方法和先进的工作手段，取得准确、详细的结 果和数据，对于铁道车辆类似的设计有重要的借鉴作用。 1 3 课题研究的目的意义 长期以来，对普通速度运行车辆的车体钢结构的设计只注重静态设计，即经过静力 分析和静强度试验，符合铁道车辆强度设计及试验鉴定规范的有关条款就可以被检验通 过。但是，随着车辆速度的提高，车体钢结构及车辆主要零部件的结构设计必须要从以 静强度为主要准则的静态设计向具有良好特性的动态设计过渡。因为随着车速的提高， 由线路不平顺等原因引起的随机激扰的频域加宽，导致车辆垂向和横向振动加速度加 大，并通过转向架作用于车体，以较高频率激励出车体的弹性振动。 随着铁路事业的飞速发展，轻量化成为国内外车辆设计的一个共同趋势。车体轻量 化是车辆设计制造水平的集中体现，甚至代表着一个国家的工业化水平。目前我国提速 客车车体轻量化工作比较落后，车体自重较大，造成轮轨间的作用力较大、列车和线路 维修费用较高、动力消耗和制造成本较高等问题。减轻车体的重量，不仅可以减少原材 料的消耗，有利于降低牵引功率，提高列车运行速度，改善列车启动和制动性能，而且 可以减少对轨道线路的动、静载荷，减小振动和噪声，增加车辆和线路的使用寿命。 车体轻量化主要是通过优化车体结构、采用不锈钢和铝合金等新材料来实现。基于 有限元法的结构优化与灵敏度分析是保证分析对设计指导作用正确性的一种极为有效 的方法，它可以针对结构的任意性能参数：如总质量、刚度、强度或一阶固有频率等进 行优化设计及分析。因此，能够充分挖掘设计潜力，比较评价设计方案并在各种设计方 案中寻优，从而得到可靠的具备各项良好性能的最优设计。基于有限元模型的结构灵敏 度分析及优化方法，可以提高结构优化结果的准确性与高效性。在设计时，可根据对结 构性能的具体要求确定目标函数与性能约束，通过灵敏度分析选取合适的设计变量，经 优化得到满意的结构。 1 4 课题研究的主要内容 车体轻量化的主要途径是利用c a e 技术进行结构优化设计，是在满足强度、刚度、 动态特性的前提下来实现车体钢结构结构的最优化。具体的研究内容如f ： 大连交通人学i ：学硕十学位论文 ( 1 ) 根据t b t1 3 3 5 1 9 9 6 铁道车辆强度设计及试验鉴定规范( 以下简称规范) 的有关规定，结合所学的专业知识，详细分析低边耐候钢型敞车车体的结构特点，利用 i d e a s 软件建立车体钢结构的计算力学模型。 ( 2 ) 运用i - d e a s 软件对低边耐候钢型敞车车体进行有限元分析，计算出其车体 在各种主要载荷工况下各个零、部件的应力、变形情况，验算车体的强度和刚度能否满 足规范的要求。 ( 3 ) 使用模态分析技术研究车身结构动态特性，计算得到前1 4 阶固有频率，并分 析低阶固有模态振型。 ( 4 ) 根据有限元分析结果，基于结构优化理论和敏度分析，利用i - e d a s 的优化模 块，选择合理的设计变量、状态变量及目标函数进行优化，给出轻量化设计方案。 本章小结 现有的铁路货车技术都在向着大载重、小自重、开发采用新材料上发展，也即向货 车车体轻量化设计上发展。但由于车辆设计受到车辆性能、结构强度、刚度和检修年限 等的限制，而随着铁路货车技术的发展，为使铁路货车的结构设计更趋于合理，强度和 刚度的分配更加均衡，通过优化结构的方式可以实现轻量化设计的目的。本文以低边耐 候钢敞车车体为研究对象，在满足其强度、刚度、动态特性的前提下，对其进行了轻量 化设计。 4 第：章车体结构分析的有限元理沦与方法 第二章车体结构分析的有限元理论与方法 2 1 有限元基本理论 2 1 1 有限元法概述 有限元是力学、计算方法和计算机技术相结合的产物，它有自己的理论基础和解题 方法。由于有限元在解决工程技术问题时的灵活、快速及有效性，发展非常迅速，最初 有限元方法被用来研究飞机结构中的应力问题。目前，其解题范围己经包括了各个领域 ( 如固体力学、生物力学、流体场、电磁场、温度场、声场) 的数理方程，其计算机程序 几乎能求解数理方程中的各类问题。它已成为解数理方程的一种通用的数值计算方法。 在求解工程技术领域的实际问题时，建立基本方程和边界条件还是比较容易的，但是由 于其几何形状，材料特性和外部载荷的不规则性，求得解析解是很困难的。因此，寻求 近似解法就成了必由之路。经过多年的探索，近似算法有许多种，但常用的数值分析方 法就是差分法和有限元法。差分法计算模型可给出其基本方程的逐点近似值( 差分网格 上的点) ，但对于不规则的几何形状和不规则的特殊边界条件差分法就难以应用了。有 限元法把求解区域看作由许多小的在节点处相互连接的子域( 单元) 所构成，其模型给出 基本方程的分片( 子域) 近似解。由于单元( 子域) 可以被分割成各种形状和大小不同的尺 寸，所以它能很好地适应复杂的几何形状、复杂的材料特性和复杂的边界条件。再加上 它有成熟的大型软件系统支持，使其已成为一种非常受欢迎的，应用极广的数值计算方 法。 有限元法的应用可追溯到2 0 世纪4 0 年代。1 9 4 3 年，c o u r a n t 第一次在论文中定义 了在三角形域上的分片连续函数并利用最小势能原理研究了s t v en a n t 的扭转问题。然 而，此方法发展很慢，直到19 5 6 年t u m e r ，c l o u g h ，m a r t i n 和t o p p 等人才在他们的经典 论文中第一次给出了用三角形单元求得的平面应力问题的真正解答。他们利用弹性理论 的方程求出了三角形单元的特性，并第一次介绍了今天人们熟知的确定单元特性的直接 刚度法。他们的研究工作随当时出现的数字计算机一起打开了求解复杂平面弹性问题的 新局面。在1 9 60 年c l o u g h 进一步处理了平面弹性问题之后，工程师们丌始认识了有 限元的功效。此后有限元在工程界获得了广泛的应用。到2 0 世纪7 0 年代以后，随着计 算机和软件技术的发展，有限元也随之迅速地发展起来，所涉及的内容有：有限元法在 数学和力学领域所依据的理论；单元的划分原则，形状函数的选取及协调性；有限元法所 涉及的各种数值计算方法及其误差，收敛性和稳定性；计算机程序设计技术等。车体钢 结构是复杂的承载结构系统，用经典力学方法计算其强度和刚度，或进行动态分析，则 火连交通人学。1 ：学硕十学位论文 需要作很多简化和假设，计算冗长繁杂，精度也很差。复杂构件计算时需要如下几步： 初步给出结构的几何尺寸，并按照已知的结构载荷工况来进行分析计算：根据算得的变 形、内力或动态参数来修改几何尺寸，然后再进行分析；如此反复，以便选取最佳方案。 这时有限元法就成为计算车体钢结构的一种有效而实用的工具。 2 1 2 有限元法的解题思路 有限元法的具体解题思路为： ( 1 ) 结构离散：将某个工程结构离散为由各种单元组成的计算模型，离散后单元 与单元之间利用单元的节点相互连结起来，离散后的有限个单元的集合体将代替原来实 际结构。 有限元离散化过程中的一个重要环节是单元类型的选择，这应根据被分析结构的几 何形状特点，结合载荷、约束、计算精度的要求等全面考虑。 选择确定单元类型后，接着要考虑单元的大小( 即网格的疏密) 。这要根据精度的 要求、计算机的速度和容量来决定，通常在应力集中的部位以及应力变化比较剧烈处增 加单元的密度，同时还要注意同一结构上的网格疏密、单元大小要有过渡，避免大小悬 殊的单元相邻。 ( 2 ) 选择位移模式：这是单元特性分析的第一步。在结构的离散化完成以后，为 了能用节点位移表示单元的位移、应力和应变，在分析连续体问题时，必须对单元中位 移的分布做出一定的假设，也就是假设位移是坐标的某种简单的函数，这种函数称为位 移模式或位移函数。在有限单元法中，普遍地选择多项式作为位移模式，至于多项式的 项数和阶数则要考虑到单元的自由度和有关解的收敛性的要求。一般多项式的项数应等 于单元的自由度数，它的阶数应包括常数项和线性项。 根据所选定的单元位移模式就可以导出用节点位移表示单元内任一点位移的关系 式，因此它也决定了相应的位移插值函数，其矩阵形式为 矿y = i n 】p 。 ，、 式中 g 。为单元内任一点的位移数组； 6 ) 。为单元的节点位移数组；时】称为形函数 矩阵。 从这里可以看出，选择适合的位移函数是有限元分析的关键，它将决定有限元解答 的性质与近似程度，所以它的选择应遵循一定的准则。 ( 3 ) 单元力学特性分析 在选择了单元类刑和相应的化移模式后，就可以进行单元特性的分析，它包括下面 三部分内容： 6 第一：章乍体结构分析的有限元理论与方法 利用几何方程，由表达式( 2 1 ) 导出用节点位移表示单元内任意一点应变的关系式 p = 陋】p 。 ( 2 2 ) 式中 是单元内任一点的应变列阵；【b 称为应变矩阵。 利用物理方程，由应变的表达式( 2 2 ) 导出用节点位移表示单元内任一点的应力的 关系式 p ) = 【d 】陋】p 广= 陋】p ) 。 ( 2 3 ) 式中 o ) 是单元内任一点的应力矩阵；【d 】适用于材料相关的弹性矩阵；【s 】称为应 力矩阵。 利用虚功原理建立各单元的刚度矩阵，即单元节点力与节点位移之间的关系。其刚 度方程为 埘= k 】。坩 ( 2 4 ) 式中 r ) 。单元的节点力矩阵；【k 】。是单元刚度矩阵， 6 。是单元节点位移列矩阵。 可以导出 医】= 陋】7 d 】 8 1 出d y a z ( 2 5 ) 实际上式( 2 4 ) 是一个线性代数方程组，它由若干个方程组成，每个方程代表了在 该单元范围内某一节点在某个自由度上力的平衡。 在以上三项中，导出单元刚度矩阵是单元特性分析的核心内容。 ( 4 ) 非节点载荷的移置 结构经过离散化之后，假定力是通过节点从一个单元传递到另一个单元，但是作为 实际的连续体，力是从单元的公共边界传递到另一个单元的。因此，这种作用在单元边 界上的表面力以及作用在单元上的体积力、集中力等都需要等效移置到节点上去，形成 等效节点载荷矩阵，也就足用等效的节点力来代替所有作用在单元上的力。移置的方法 是按虚功等效的原则进行，即原载荷与节点载荷在任何虚位移上的虚功两者相等。当位 移模式确定之后，这样的载荷移置，结果是唯一的。载荷用这样的变换会引起误差，但 根据圣维南原理，这种误差是局部性的，对整体结构影响不大，而且随着单元的逐渐加 密，这一影响会逐步减小。非节点载荷的一般计算公式为： 尸 。= 【】7 q + ，；， 】丁 ，p y + 【r 只妞 ( 2 6 ) 式中 n 形函数； q c 作用点处的为集中力； p v 和 p a ) 分别为作用在单元上的体 积力和面积力。 7 大连交通入学i ：学硕十学位论文 ( 5 ) 整体分析，组集结构总刚度方程组 整体分析的基础是根据所有相邻单元在公共节点上的位移相同和每个节点上的节 点力和节点载荷保持平衡这两个原则。它包括两方面的内容：一是由各单元的刚度矩阵 集合成整体结构的总刚度矩阵【k 】：二是将作用于各单元的等效节点力集合成总的载荷 矩阵 p ) 。这两项就组成了整体结构的总刚度矩阵方程，又称为结构平衡方程组 忸j - k j ，们 厶， 式中 r i ) = q 矗+ p i 。) ，其中 q i ) 为节点i 上的集中力； p i 。) 为各单元在节点i 处的 等效节点载荷的和。 ( 6 ) 约束处理并求总刚度方程 引进边界约束条件，修正总刚度方程后，消除总刚度矩阵的奇异性，就可求得节点 位移。 ( 7 ) 计算单元应力并整理计算结果 利用公式( 2 3 ) 和已经求出的节点位移计算结构上所有感兴趣部件上的应力，并绘 出结构变形图及各种应力分量、应力组合的等值图。 尽管未知量处于离散的自由度，内部方程仍被写成表达连续集的应变函数。这就意 味着如果选择了正确的单元的话，纵然这个有限元模型有一组离散的方程，只要用有限 的节点和单元也可收敛出正确的答案。 有限元模型是解决整体结构问题的完全理想化的模型，这些问题包括节点的定位、 单元、物理特性和材料特性、载荷和边界条件。对不同的分析类型，模型定义也不同， 如静态结构载荷，动态或热分析。 对于给定的问题来讲，求解结果的准确性将取决于结构建模的好坏，负载和边界条 件的假设，以及所用单元的精度。一般来讲，如模型单元划分得越密，结果越准确。了 解你在最终的求解结果上有充分收敛的唯一确信的方法是用更细的网格单元束建立更 多的模型，以检查求解结果的收敛性。 2 2i - d e a s 软件及其应用 2 2 1i - d e a s 软件介绍 c a d c a e c a m 软件i - d e a s 是原s d r c ( s t r u c t u r a ld y n a m i c sr e s e a r c hc o r p o r a t i o n ) 公司的产品，i - d e a sm a s t e rs e r i e s 足美国s d r c 公司自1 9 9 3 年推出的新一代机械设计 自动化软件，也是s d r c 公司c a d c a e c a m 领域的旗舰产品，并以其高度一体化、 功能强大、易学易用等特点而著称。如今的s d r c 已被并入e d s 公司。i - d e a s 软件是 8 第二章1 i 体结构分析的有限元理论j 方法 一套完全一体化的，面向二十一世纪的解决方案。这套完整方案贯穿了从概念设计直到 生产开发的全过程，涵盖了机械设计自动化，产品数据管理，协同产品商务( c p c ) 以 及工程资讯和实施服务等各方面。 i - d e a s 共有七大主模块，它们是： ( 1 ) 工程设计( e n g i n e e r i n gd e s i g n ) 模块 工程设计模块主要用于对产品进行几何设计，包括m a s t e rm o d e l e r ( 建模) 、m a s t e r s u r f a c i n g ( 1 掏面) 、m a s t e ra s s e m b l y ( 装配) 、m e c h a n i s m ( j l 构) 、d r a f ts e t u p ( $ i j 图建模) 几个 子模块。 实体建模( m a s t e rm o d e l e r ) 模块 运用i - d e a s 的实体建模功能，能够方便地制作出设计结构的三维模型，一方面可 以进行结构设计，另一方面还可作为进一步有限元分析做准备。 曲面( m a s t e rs u r f a c e ) 模块 由基本体素拼合成的实体，属于比较规则的物体。但在实际中存在大量形状不规则 的物体表面，这些称为自由曲面。用i - d e a s 生成曲面仅需2 步 - - - 3 步操作。m a s t e r s u r f a c e 生成曲面的方法有拉伸、旋转、放样、扫掠、网格、点阵等。由于生成曲面的 方法较多，因此m a s t e rs u r f a c e 可以迅速建立任何复杂曲面。 装f l 己( m a s t e ra s s e m b l y ) 模块 装配模块可实现将各个零件组装起来。它可用于计算干涉、质量特性、动力分析等， 并能进行装配体的仿真显示。 ( 2 ) 工程制图( d r a f t i n g ) 模块 i - d e a s 的绘图模块是一个高效的二维机械制图工具，它可绘制任意复杂形状的零 件。它既能作为高性能系统独立使用，又能与i - d e a s 的实体建模模块结合起来使用， 它支持g b 、a n s i 、b s 3 0 8 、d i n 、i s o 和j i s 等制图标准。 三维实体零件直接形成二维图( d r a f t i n gs e t u p ) 模块 在i - d e a s 中，当实体模型建立后，只须几步操作，就呵以生成三视图( 主视图、俯 视图、侧视图) 及轴测图。 详细绘图( d e t a i ld r a f t i n g ) 模块 该模块可生成符合各种标准的工程图。d e t a i ld r a f t i n g 还提供了许多有用的工具， 如动态导航技术等，这使设计人员制图变得非常方便。 ( 3 ) 制造( m a n u f a c t u r i n g ) 模块 在机械行业中用到的i - d e a s 制造模块中的功能是n cm a c h i n i n g ( 数控加工) 。 9 大连交通大学t 学硕十学位论文 i - d e a s 的数控模块分三大部分：前置处理子模块、后置处理编写器和后置处理子 模块。在前置处理子模块中，i - d e a s 提供了完整的机加工环境，可同时处理三维实体 和曲面。n c 刀具轨迹可根据仿真情况进行修正。后置处理编写器用于生成适合具体n c 机床的后处理程序，该部分采用表格驱动，很容易编写出适应f a n u c 、s i m e n s 、f a g o r 等数控系统的后置处理程序。后处理子模块读入生成的后处理程序后，再对f l i f 置处理模 块中生成的刀位文件c l 进行处理，就可生成所需的数控程序。 ( 4 ) 有限元仿真( s i m u l a t i o n ) 模块 仿真模块是c a e 的核心，运用该模块的功能，我们能够了解零件内部的受力状态， 在满足零件受力要求的基础上，便可对零件优化设计。 i - d e a s 的有限元仿真应用包括三个部分：前置子处理模块( p r e p r o c e s s i n g ) 、求解 子模块( s o l u t i o n ) 及后处理子模块( p o s t p r o c e s s i n g ) 。 产品仿真( s i m u l a t i o n ) 是其中模块之一，其中仿真建模( s i m u l a t i o nm o d e l i n gs e t ) 是m d a 集成环境中的有限元建模和结果可视化工具，直接利用i - d e a s 软件主模块或 装配，或其它c a d 系统输入的模型快速建立数字化的产品估计模型，仿真模型和设计 模型具有相关性。 仿真求解( s i m u l a t i o ns o l u t i o nl i n e a r ) 是有限元求解器，包括结构的线性静态分 析和结构模态分析。 非线性求解器( m o d e ls o l u t i o nn o n l i n e a r ) 支持几何非线性，材料非线性，弹塑 性及综合非线性分析，利用n e w t o n r a p h s o n 方法求解非线性方程组。 变量化分析( v a r i a t i o n a la n a l y s i s ) 使仿真设计初期介入设计过程，利用单一模型 进行广泛的设计探索，变量化分析在设计可变的全变量范围内自动地解算有限元模型， 通过一次网格和解算生成设计手册式结果，得到多种可对比的方案。 响应分析( r e s p o n s ea n a l y s i s ) 用来探索结构在稳态、瞬态、谐波和随机激励下 的受迫响应，模态可以来自结构分析或测试。其主要功能有：多种激励的输入，生成和 编辑工具；激励可以是力( 分布力，结点力) ，受迫振动( 位移，速度和加速度) 冲击， 旋转力和质量不平衡等；时变的静态激励下的响应分析( 线性叠加法) 、瞬态响应分 析、频率响应分析、随机响应分析和响应谱分析；计算和报告位移、速度、加速度、支 反力、单元力、应力和应变响应函数；响应资料是整个结构或某些结点的时域或频域表 示；响应结果包括：位移、速度、加速度、应力、应变、单元力和变形能；从i - d e a su n v 文件m t s 时间历程文件，m t sr p c i i i 文件和d a c 文件输入输出资料。 1 0 第二章车体结构分析的有限元珲沦与方法 高级产品寿命预测( a d v a n c e dd u r a b i l i t y ) ，预测静态或瞬态载倚下产品的寿命 和疲劳破坏，包括：静疲劳分析和振动疲劳分析；载倚可以来自分析或测试；疲劳s - n 曲线定义；多种疲劳算法；测试分析相关性研究；数据处理工具。 ( 5 ) 测试数据分析( t e s td a t aa n a l y s i s ) 模块 i - d e a s 的测试数据分析模块是在计算机上对产品性能进行测试仿真，找出造成产 品各种故障的原因，排除产品故障，改进产品设计。 ( 6 ) 数据管理( d a t am a n a g e m e n t ) 模块 i - d e a s 的d a t am a n a g e m e n t 模块简称i d m ，它自动跟踪i - d e a s 中创建的数据， 这些数据包括存贮在模型文件或库中零件的数据。i d m 也跟踪数据之间的关系，保证了 所有数据的安全及存取方便。 ( 7 ) 几何数据交换( g e o m e t r yt r a n s l a t o r ) 模块 在实际中还存在一些别的c a d 系统，如u gi i 、e u c l i d 等，对于不同的软件的数 据一般都难以被对方所直接识别。但在实际工作中，往往需要接受别的c a d 数据。这 时几何数据交换模块就会发挥作用。i - d e a s 中几何数据交换模块有i g e s 、s t e p 、d x f 等，其工作原理是先将别的c a d 数据转换成中性数据( 不依赖于该c a d 系统) ，然后将 中性数据通过几何数据交换模块转换成i - d e a s 数据，这样就可将外来数据全部“同化”。 2 2 2i d e a s 有限元分析的步骤 有限元分析包括三部分，它们是：前处理( p r e p r o c e s s i n g ) ；求解 ( s o l u t i o n ) ；后处理( p o s 卜p r o c e s s i n g ) 。 前处理包括产生一个有限元模型几何体的全过程，输入物理特性与材料特性，描述 边界条件和载荷，以及检查模型。m a s t e rm o d e l e r 主要进行几何模型的建立；m e s h i n g 任务中在几何模型的基础上，进行有限元网格的划分，即进行结构离散。也可以直接生 成节点、单元。同时还可以对单元的质量进行检查。i - d e a s 中网格的划分很方便。有 多种单元类型供选择：b o u n d a r yc o n d i t i o n s 任务中可以进行边界条件的施加，修改等操 作，i - d e a s 软件提供了方便的菜单命令，边界条件可加载在几何实体、节点以及单元 上。可以施加均布载荷，也可以施加变载荷。 求解阶段在i - d e a ss i m u l a t i o n 的模型求解任务中进行，或在一个外部有限元分析 程序中进行。i - d e a s 能够解线性和非线性以及静态、动态、屈曲、热传导和势位能问 题。也可以用其他软件求解，只要将有限元模璎信息写成外部有限元求解器所要求的格 式。 大连交通人学一i ：学硕十学位论文 i - d e a s 的p o s tp r o c e s s i n g ( 后处理) 提供了功能强大的一系列后处理工具来分析、 显示和管理求解器产生的结果数据，可以绘制和显示机构序列动画，绘制结果函数图表， 管理执行记录等功能。 本章小结 本章介绍了有限元的基本理论和有限元分析软件i - d e a s 的基本功能及模块，并简 要叙述了i - d e a s 软件用于有限元分析的具体过程。i - d e a s 软件的s i m u l a t i o n 模块可以 进行线性静态的结构有限元分析及优化计算，所以本次轻量化设计是依据有限元的理 论，利用i - d e a s 软件进行分析计算的。 1 2 第三章车体钢结构有限元分析 第三章车体钢结构有限元分析 3 1 主要技术参数及车体钢结构特点 3 1 1 车辆主要技术参数 载重 自重 自重系数 容积 换长 比容 轴重 每延米重 通过最小曲线半径 商业运营速度 最高运行速度 轨距 车辆全长 车辆定距 转向架固定轴距 车钩高 车体长 车体宽 车体高度 车辆宽度 车辆高度 内部长度 内部宽度 地板面高度 6 0 t 2 2 t o 3 7 3 6 m 3 1 2 0 6 m 3 t 2 1 t 6 1 t m 1 4 5 m 8 5 k m h 1 0 0 k m h 1 4 3 5 m m 1 3 4 3 8 m m 8 7 0 0 m m 1 7 5 0 m m 8 8 0 1 0 m m 1 2 5 0 0 m m 2 9 0 0 m m 1 0 0 0 m m 3 1 8 0 m m 2 0 9 3 m m 1 2 5 0 0 m m 2 8 8 4 m m 1 0 8 3 m m 符合g b l 4 6 1 8 3 标准轨距铁路机车车辆限界的要求 大连交通大学t 学硕 ：学位论文 3 1 2 技术要求 ( 1 ) 按照q q c 3 5 0 2 0 8 6 c 6 2 b 型敞车技术条件制造与验收。 ( 2 ) 铁地板横向、纵向可拼接，上、下面满焊，焊缝在底架梁上时，允许单面满 焊，熔深应不小于板厚7 5 。 ( 3 ) 在端梁与枕梁，枕梁与大横梁之间允许组装一根拼接小横梁，整个底架允许 组装七根拼接小横梁。 ( 4 ) 小横梁允许左右件，组装时槽口一律朝向1 位端。 ( 5 ) 侧柱内补强座与地板、侧墙板间形成的孔洞与凹槽应堵焊填平，凹槽处需加 圆钢堵焊填平。 ( 6 ) 上侧梁允许两段或三段接长，接口位置距上侧梁中心1 7 4 0 m m 以上，最短料 不小于2 0 0 0 m m 。 3 1 3 低边耐候钢敞车车体的结构特点 低边耐候钢由车体、转8 a 型转向架、基础制动装置、车钩缓冲装置等部分组 成，其具体结构如图3 1 所示。 ， ( b ) 左视图 1 4 第- i 牢体铜结 白有限元分析 霪馘旷z !蔓趔 ( a ) 主视图 幽3 l 低边耐候铜戢车总图 f i g3 l g 口辩劬l a y o u to f i o w 讨e d w 删i l e 岫m e l g o n d o l a c 盯 卜底架组成i2 标记；3 转8 a 型转向架( 1 位) ；4 嘲墙组成( 2 位) ：5 _ 底架附属件；6 风 制动装置；7 - 转卧型转向架( 2 能) ：8 - 端墙组成( 2 位) ； 车钩缓冲装置；1 卜侧墙纽成( 1 位) ： 1 卜端增组成( i 位) ：1 2 一手制动装置。 车体由底架、侧墙、端墙等部件组成，蜡墙、侧墙与底架牢固地焊接在一起，整个 车体属板粱式侧壁底架共同承载结构，由于用于运输锌锭，且采用吊车作业设计时降 低了车体侧墙的高度，取消了侧门结构。车体主要结构和外型尺寸与c 6 2 b 、c 6 4 型通 用敞车基本相同。车体钢结构的主要部件选用耐候钢0 9 c u p t i r e - a 制成，其强度、刚 度较c 6 2 b 、c 6 4 型敞车有较大的加强。 3 l3 l 底架组成 底架结构与c 6 2 b 底架结构相同，由中粱、枕粱、大横粱、小横粱及金属地板组成 如图3 2 所示。中粱由两根材质为0 9 v 的3 1 0 x 1 8 6 x 1 2 x 1 2 5 x 1 8 ( m m ) l 型钢组焊而成， 侧粱采用2 4 0 x 8 0 x 9 ( r a m ) 槽钢制成等截面直粱侧槊上组装有绳栓等。由于c 6 2 g 型 敞车侧壁能承载载荷，因此底架中梁和侧粱的断面无须制成鱼腹形。枕粱由厚8 m m 的 上盖板、腹板和厚1 2 m m 的下盖板组焊成箱型结构且为等强度变截面粱腹板之间采用 1 0 m m 厚的隔板隔开。端粱由厚7 m m 铜板压制成“l ”形断面。全车共有四根大横粱， 它是山厚8 r a m 的上、下盖板和厚7 m m 的腹板组焊成工字形断面粱